库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学

张光远，龚 迪，王 坤

（西南交通大学 交通运输与物流学院，综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室，四川 成都 610031）

1 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学建设的意义

随着“中国制造2025”“互联网+”等战略的深入实施，智能制造、电子商务等技术和模式的发展对物流效率的要求越来越高，在企业业务达到一定规模后，对自动化存储系统的需求也越来越大。事实上，以京东、唯品会等为代表的电子商务企业，为满足多样性、个性化的购物需求和小批量、多批次的配送需求，已经建设并开始应用自动化立体仓库；以海尔、一汽为代表的制造企业，为满足制造与装配流程的自动化和智能化需求，也构建了与智能制造紧密结合的自动化仓储系统。自动化仓储系统将成为未来我国智能物流发展的重要方向，因此对当代大学生自动化仓储系统的设计与管理能力的培养要求也越来越高。

2 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学的总体框架

本实验项目立足我校交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心，以交通运输国家级实验教学示范中心和具有交通运输特色的物流管理人才培养模式为基础，以全国排名第1 的交通运输工程国家一级重点学科和综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室[1-2]为 依托，立足自主研发，建成了库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验系统[3-4]，实现了对“高集成、多环节、多品类”自动化仓储作业流程、“多岗位、多工种、多场景一体化”管理过程的虚拟仿真[5-9]，为物流管理相关专业人才培养提供了强有力的支撑（总体框架见图1）。本实验系统获评首批国家级一流本科课程（虚拟仿真实验教学一流课程）和2019 年四川省虚拟仿真实验教学项目。

图1 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学项目的总体框架

该项目依托自动分拣与智能堆垛实验室的自动化立体仓储系统设计开发，以实际配送中心作业流程与管理需求为背景，构建自动化立体仓储系统，制定采购计划，应用仓储管理系统完成相关作业流程，实现自动化立体仓库的实时信息管理。该项目实现4 个“二一”，即：培养目标实现“两性一度”，高阶性、创新性、挑战度；实验依托“两景一体”，虚拟、实体、虚实一体化；面向领域实现“两业一化”，专业、行业、智慧化；实验过程实现“两动一学”，动手、动脑、深度学。

3 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学的实验目的、原理及核心流程

3.1 实验目的

通过本实验项目的学习与实践，学生可理解如下内容：①了解自动化立体仓储系统中相关设施设备的功能和技术参数，根据作业流程完成自动化立体仓储系统各模块的集成设计，熟悉自动化立体仓储管理系统、仓储控制系统等软件的功能、操作等；②掌握经济订货批量模型的计算与应用过程，掌握采购、入库、分拣、出库、配送的全流程设计与管理；③培养学生团队合作协作意识、即时决策综合能力以及实践创新能力。

3.2 实验原理

实验项目以“自动分拣与智能堆垛”实验环节和实际配送中心作业流程与管理需求为背景，依托学校现有的大型自动化立体仓储实验系统，借助3D 可视化技术、人机交互技术等现代信息技术，构建了逼真的自动化立体仓储实验场景。通过三维交互虚拟仿真实验系统的转换和优化，学生可以开展库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验，构建自动化立体仓储系统，应用经济订货批量模型制定采购计划，应用仓储管理系统完成托盘、料箱在库内的出入库与倒库作业，设计拆/码垛组盘方式，完成自动化立体仓库的流程设计与作业管理，实现自动化立体仓库的实时信息管理。

3.3 实验核心流程

实验分为4 个核心模块：系统与设备认知模块、自动化仓储系统布局模块、库存管理与自动化仓库管理全流程模块、协调实验模块（见图2），实现“认知—布局—全流程—协作”的系统性构建。

（1）系统与设备认知模块。通过系统与设备认知模块（见图3），学生可以学习分拣、料箱自动化、托盘自动化、机械手、辊筒输送、管理控制、滑块分拣机、料箱自动化立体仓库、托盘自动化立体仓库、辊筒输送装置、机械手拆/码垛装置、自动导引搬运车、（AGV）小车等各系统的功能与作业方式。

（2）自动化仓储系统布局模块。通过自动化仓储系统布局模块（见图4），学生可以学习自动化仓库的布局设计。自动化立体仓储系统由5 个子系统组成：滑块分拣子系统、料箱自动化立体仓库子系统、托盘自动化立体仓库子系统、机械手堆/码垛子系统以及辊筒输送子系统。滑块分拣子系统的主要设备是滑块分拣机和自动导引搬运车（AGV），滑块分拣机与料箱输送机相配合，形成滑块分拣子系统，可以根据客户订单完成料箱的输送与分拣。通过料箱条码识别，判断其分拣口，并指令相应的滑块动作，将料箱推送到相应的分拣口。AGV 在识别料箱后将其送到指定的位置。料箱自动化立体仓库子系统由料箱货架和料箱堆垛机组成，与滑块分拣机、辊筒循环输送子系统、料箱AGV 相配合，通过识别每个料箱和货位上的条码，完成料箱的迅速入库、上架、出库、下架等功能。托盘自动化立体仓库子系统由托盘货架和料箱堆垛机组 成，通过识别托盘和货位上的条码，完成托盘的入库、上架、出库、下架等功能。机械手堆/码垛子系统的主要设备是堆/码垛机械手，主要实现料箱、托盘的堆/码垛功能。辊筒输送子系统由多段辊筒相连而成，通过条码识别器和射频识别器（RFID）识别料箱、托盘上的条码或RFID 标签，完成托盘和料箱的水平输送。

图2 实验模块关联图

图3 系统与设备认知模块

图4 自动化仓储系统布局模块

图5 库存管理与自动化仓库管理全流程模块

（3）库存管理与自动化仓库管理全流程模块。通过库存管理与自动化仓库管理全流程模块（见图5），学生可以学习库存管理与自动化仓库管理全流程。根据单位时间的单位存储费用、采购与准备的固定费用、需求变化率和订货量，利用多点条码和RFID 标签进行信息采集，对物料出入库流程、库存盘点以及即时库存管理等业务流程进行综合管理学习，跟踪、管理以及控制仓储各环节。例如：选择商品PA 和PB 的采购量；新增商品入库凭证；根据商品PA 的托盘装载料箱数量，选择机械手操作的垛型；根据入库作业要求，选择机械手作业方式；根据订单需求和实时库存的差异，确定商品PA 和PB 从料箱库到托盘库的倒库数量；根据商品PA 和PB 的组盘策略，选择垛型平面模式等。

（4）协调实验模块。通过协调实验模块（见图6），学生输入学号姓名，选择协同实验房间，可以组队共同完成全流程实验，根据各实训室的人员数量和空闲角色选择实训室和角色，与其他同学合作分饰不同角色共同完成实验。

图6 协调实验模块

4 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学的环境构建

实验项目的开发运行依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。如图7 所示，支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为5 层，分别是数据层、支撑层、仿真层、通用服务层和应用层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。

图7 虚拟实验教学环境构建图

利用搭建的虚拟仿真实验教学平台，将“有限的物理实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，实现了多地、多校、多专业的实验教学资源共享。实施过程中，学生可以在虚拟仿真实验教学平台上了解智能物流设备，预习自动化仓储的作业流程等相关知识，熟悉实验原理及系统操作方法的电子文档和视频资料并进行测评；根据实验指导书所示操作步骤进行实验，根据实验要求完成相关实验内容，教师可实时与学生进行线上互动交流，针对重要知识点及学生容易出错的步骤进行讲解指导，同时对学生的操作过程进行视频监督指导；学生根据要求提交实验报告，教师对实验报告进行评阅。学生可在实验室也可在教室、图书馆等有网络覆盖的地方，通过远程登录平台，自主调用实验教学资源，自由搭建实验项目、组合设计实验环节和配置实验岗位等，教师可远程监控、指导。在实验教学过程中增加“交互体验”，将仿真教学与运作实景相结合，实现“虚实结合”的仿真实验教学目的；增加“实验协同”环节，增强团队合作，提升学生仿真实验的兴趣，激发主动学习的动力。实验项目上线以来，已开放服务9 000 余人，覆盖物流管理、物流工程、工业工程、交通运输、交通工程、安全工程等多个专业和行业。

5 库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验教学的依托实体

库存管理与自动化仓储虚拟仿真实验项目是依托自动分拣与智能堆垛实验室全真的自动化立体仓储系统设计开发的。自动分拣与智能堆垛实验室（见图8）以实际物流中心为背景，构建了真实的自动化立体仓储系统，实现了货物的整托保管、堆/码垛、托盘出入库、料箱入出库和分拣等业务流程。基于多点条码和RFID 标签信息采集，通过仓储管理系统可以对自动化立体仓储系统中的各物流环节、物资在库情况等信息进行实时监控和管理。

图8 实体实验平台

6 结语

（1）本项目将数字化3D 仿真、虚拟设备与仪器以及人机在线交互等技术综合运用，构建了逼真的自动化立体仓储场景，使学生深度参与、虚实结合、循序渐进地自主学习，激发了自主学习的兴趣，解决了目前实验教学中普遍存在的学生参与度低的问题，尤其是涉及大型仪器设备的实验项目。实验过程中，既可单独实验，又可组队进行分岗位的协作实验，实现个体与团体协作的有机融合。

（2）本项目建立分时间、分方式、分层次的立体化开放共享模式，加强资源的有序整合和有效对接；面向交通运输、交通工程、工业工程、工程管理、管理科学与工程等多个专业本科生，为其与物流相关的专业课程提供虚拟仿真实验项目支撑，更好地服务于物流相关专业人才培养；依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，面向各高校开放共享，提高开放共享服务质量。

（3）本项目将为现代物流向智慧物流转型发展的物流企业人员培训提供重要支撑，在企业新项目规划设计、自动化立体仓库运营管理、员工合作协同等提供虚拟仿真环境支撑。本项目将依托我校交通运输与物流学院的人才培养实践基地和实习基地，根据企业的实际需求，为其提供物流管理人员和工程技术人员的虚拟仿真实操和培训，并逐步拓展到物流行业中涉及自动化仓库设计与管理和转型发展的企业，为其提供实地及远程培训。